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浙江大学学报(工学版)  2019, Vol. 53 Issue (2): 241-249    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2019.02.006
机械工程     
采用动力测试的双转子卧螺离心机模型修正
周瑾(),高天宇,陈怡,席鸿皓
南京航空航天大学 机电学院,江苏 南京 210016
Model updating of dual-rotor decanter centrifuge with dynamic test
Jin ZHOU(),Tian-yu GAO,Yi CHEN,Hong-hao XI
College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China
 全文: PDF(2899 KB)   HTML
摘要:

基于动力测试及有限元模型修正建立准确的双转子结构卧式螺旋离心机动力学模型. 通过对复杂双转子装配体进行分步动力测试,获得整机及内转子在不同支撑条件下的前3阶模态参数. 研究双转子结构三维有限元模型精确建模方法并建立结构连接刚度的参数化模型. 通过有限元模态仿真分析及仿真结果与各阶试验模态参数的对比,检验模型的有效性. 通过参数灵敏度分析,获得卧螺离心机各连接结构中对结构模态参数影响最大的因子,并使用遗传算法分别对内转子和整机关键连接结构进行模型修正. 修正后的整机有限元模型在轴承支撑状态下前3阶弯曲模态频率仿真结果与试验结果之间的误差小于5%,可以较好地模拟卧螺离心机的动态特性,为深入的振动分析打下良好基础.

关键词: 卧式螺旋离心机双转子模态参数有限元模型灵敏度分析模型修正    
Abstract:

An accurate finite element (FE) dynamic model of decanter centrifuge with double-rotor was established based on dynamic test and model updating. The first three modal parameters of the centrifuge and screw conveyor under different support conditions were acquired through dynamic test on complex double-rotor assembly. The three-dimensional FE model was built accurately and the structural connection stiffness was parameterized. The effectiveness of established FE model was verified through the modal analysis and the comparison of each modal parameter between test and FE analysis. The influence of each connecting structure of the decanter centrifuge on structural modal parameters was obtained through sensitivity analysis and the key connecting structures of screw conveyor and assembled decanter centrifuge were model updated by genetic algorithm. The error of the first three bending modal frequencies between the updated model supported by bearings and test results was reduced to less than 5%. The updated model can be used to simulate the dynamic behaviour of decanter centrifuge and make a good basis for further dynamic analysis.

Key words: decanter centrifuge    dual-rotor    modal parameter    finite element (FE) model    sensitivity analysis    model updating
收稿日期: 2018-06-25 出版日期: 2019-02-21
CLC:  TH 113  
作者简介: 周瑾(1972—),女,教授,博士,从事转子动力学、振动控制研究. orcid.org/0000-0001-6966-4671. E-mail: zhj@nuaa.edu.cn
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周瑾
高天宇
陈怡
席鸿皓

引用本文:

周瑾,高天宇,陈怡,席鸿皓. 采用动力测试的双转子卧螺离心机模型修正[J]. 浙江大学学报(工学版), 2019, 53(2): 241-249.

Jin ZHOU,Tian-yu GAO,Yi CHEN,Hong-hao XI. Model updating of dual-rotor decanter centrifuge with dynamic test. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2019, 53(2): 241-249.

链接本文:

http://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2019.02.006        http://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2019/V53/I2/241

图 1  卧螺离心机结构简图
图 2  卧螺离心机模态试验过程
图 3  模态试验前3阶弯曲模态振型辨识结果
图 4  整机有限元模型及装配连接结构建模示意图
轴承位置 轴承型号 F/N K/(N·m?1)
内螺旋大端 SKF NU216 768 1.090×109
内螺旋小端 NKI 85/26 506 1.780×109
外转鼓大端 SKF NU1020M/C3 3 195 1.468×109
外转鼓小端 SKF 6218MC4 1 852 1.974×108
表 1  卧螺离心机各部分轴承支撑刚度
分析对象 阶次 ft / Hz fa / Hz Δf/%
内螺旋自由-自由 1 528.6 514.9 2.59
2 1 211.4 1 146.5 5.36
3 1 914.0 2 005.7 4.79
整机自由-自由 1 115.6 105.37 8.85
2 231.6 239.21 3.29
3 347.2 309.85 10.76
整机轴承支撑 1 103.2 90.7 12.10
2 146.1 132.9 9.10
3 290.8 274.3 5.70
表 2  试验模态频率与修正前有限元计算结果对比
图 5  离心机内转子和整机不同状态下有限元仿真前3阶弯曲模态振型
图 6  螺旋刮刀焊接结构
图 7  内螺旋转子模型和修正区域示意图
图 8  内转子各阶模态对所选待修正参数的灵敏度分析
图 9  适应度函数寻优曲线
参数 Ew1 Ew2 Ew3 Ew4
修正前 193 193 193 193
修正后 320 217 283 320
表 3  热影响区弹性模量修正前后对比
阶次 ft/Hz foa/Hz Δf1/% fua/Hz Δf2/%
1 528.6 514.9 2.59 529.5 0.17
2 1 211.4 1 146.5 5.36 1 185.4 2.15
3 1 914.0 2 005.7 4.79 2 051.6 7.19
表 4  内转子模型修前后各阶频率与试验对比结果
图 10  内转子修正前后仿真频响与试验结果对比
图 11  整机各阶模态频率对各连接刚度的灵敏度分析
图 12  各阶模态频率灵敏度最大的2个连接刚度交互效应分析
修正参数 K1 K2 K3 K4
修正前 500 000 500 000 500 000 500 000
修正后 1 338 746 1 320 746 2 573 608 2 979 869
表 5  连接刚度修正前、后对比
阶次 ft/Hz foa/Hz Δf1/% fua/Hz Δf2/%
1 115.6 105.37 8.85 117.63 1.73
2 231.6 239.21 3.29 244.06 5.31
3 347.2 309.85 10.76 337.87 2.37
表 6  整机自由支撑模型修正结果
阶次 ft/Hz foa/Hz Δf1/% fua/Hz Δf2/%
1 103.2 90.7 12.1 102.5 0.7
2 146.1 132.9 9.1 142.1 2.7
3 290.8 274.3 5.7 284.2 2.3
表 7  整机支撑状态模型修正结果
1 MERKL R, STEIGER W. Properties of decanter centrifuges in the mining industry[J]. Minerals and Metallurgical Processing, 2012, 2 (1): 6- 12
2 LO L, WU W, YANG Y, et al. Research on Identification of the noice and vibration of a decanter centrifuge [C] // 8th International Conference on Future Generation Communication and Networking. Taichung: [s. n.], 2014: 37–40.
3 杨钊, 黄维菊, 高志惠 大长径比卧螺离心机螺旋输送器的有限元分析[J]. 过滤与分离, 2011, 21 (4): 13- 15
YANG Zhao, HUANG We-iju, GAO Zhi-hui Finite element analysis of screw conveyor of horizontal screw centrifuge with large aspect ratio[J]. Filtration and Separation, 2011, 21 (4): 13- 15
doi: 10.3969/j.issn.1005-8265.2011.04.004
4 张志新, 王立智, 付豫龙, 等 高速卧螺离心机动力性能优化[J]. 化工机械, 2015, 10 (5): 676- 678
ZHANG Zhi-xin, WANG Li-zhi, FU Yu-long, et al Dynamic performance optimization of high-speed decanter centrifuge[J]. Chemical Engineering and Machinery, 2015, 10 (5): 676- 678
doi: 10.3969/j.issn.0254-6094.2015.05.018
5 张国良, 崔记银, 孙括, 等 卧螺离心机螺旋输送器转子系统的动力学分析[J]. 新技术新工艺, 2013, (12): 105- 107
ZHANG Guo-liang, CUI Ji-yin, SUN Kuo, et al Dynamic analysis on the spiral conveyor rotor system of horizontal spiral centrifuge[J]. Journal of Filtration and Separation, 2013, (12): 105- 107
doi: 10.3969/j.issn.1003-5311.2013.12.034
6 张雷. 基于有限元的卧螺离心机转鼓、螺旋输送器的研究[D]. 太原: 中北大学, 2015: 48.
ZHANG Lei. Study of dum and screw cnveyor of cntrifuge based on FEA [D]. Taiyuan: North University of China, 2015: 48.
7 杨彬, 王琪, 方海峰, 等 基于Ansys的卧螺过滤离心机的动态特性优化[J]. 机械强度, 2014, 36 (3): 419- 424
YANG Bin, WANG Qi, FANG Hai-feng, et al Dynamic charactrtistic optimization of horizontal worm screen centrifuge based on Ansys[J]. Journal of Mechanical Strength, 2014, 36 (3): 419- 424
8 张保强, 陈国平, 郭勤涛, 等 基于模态频率和有效模态质量的有限元模型修正[J]. 振动与冲击, 2012, 24 (31): 69- 73
ZHANG Bao-qiang, CHEN Guo-ping, GUO Qin-tao, et al Finite element model updating based on modal frequency and effective modal mass[J]. Journal of Vibration and Shock, 2012, 24 (31): 69- 73
9 WARD H, STEFAN L, PALU S. Modal analysis theory and testing [M]. 2th ed. London: Research Studies Press Ltd, 2000: 131.
10 陈怡. 磁悬浮轴承支承的卧螺离心机动力学分析及优化设计[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2016: 52.
CHEN Yi. Dynamics analysis and optimization design of the maglev decanter centrifuge [D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2016: 52.
11 XU Y, ZHOU J, DI L Active magnetic bearing rotor model updating using resonance and MAC error[J]. Shock and Vibration, 2015, (10): 2- 4
12 梅庆, 欧元霞, 高德平. 花键联接刚度及其对转子动力特性的影响[C]//第十届航空发动机结构强度与振动会议. 黄山:[s.n.], 2000: 311–313.
MEI qing, Ou YUAN-xia, GAO De-ping. Spline joint stiffness and its influence on rotor dynamic characteristics [C] // 10th Symposium on Aeroengine Structural Strength and Vibration. Huangshan: [s. n.], 2000: 311–313.
13 章伊华, 庞奎, 林丹益, 等 基于接触面特征的螺栓联接刚度研究[J]. 兵工学报, 2017, (1): 195- 201
ZHANG Yi-hua, PANG Kui, LIN Dan-yi, et al Study of bolt joint stiffness based on contact surface characteristics[J]. Acta Armamentarii, 2017, (1): 195- 201
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2017.01.026
[1] 翁杭建,党晓娟,张晓晶. 错位装配串联蜂窝结构缓冲吸能特性[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(12): 2329-2335.
[2] 黄腾逸,周瑾,徐岩,孟凡许. 基于多场耦合分析的磁流变阻尼器建模与结构参数影响[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(10): 2001-2008.
[3] 程锋,张栋,唐硕. 高超声速运载器宽速域气动/推进耦合建模与分析[J]. 浙江大学学报(工学版), 2019, 53(5): 1006-1018.
[4] 卫军,杜永潇,梁曼舒. 梁结构疲劳刚度退化对模态频率的影响[J]. 浙江大学学报(工学版), 2019, 53(5): 899-909.
[5] 诸葛翰卿,谢旭,廖燕华,唐站站. 横桥向地震作用对钢拱桥地震损伤发展的影响[J]. 浙江大学学报(工学版), 2019, 53(4): 702-712.
[6] 应申舜, 林绿高, 计时鸣. 基于模态参数验证的机床结构件优化设计[J]. 浙江大学学报(工学版), 2018, 52(10): 1880-1887.
[7] 钱程, 沈国辉, 郭勇, 邢月龙. 节点半刚性对输电塔风致响应的影响[J]. 浙江大学学报(工学版), 2017, 51(6): 1082-1089.
[8] 刘凯, 曹毅, 周睿, 葛姝翌, 丁锐. 一移两转平板折展柔性铰链的建模及优化[J]. 浙江大学学报(工学版), 2017, 51(12): 2399-2407.
[9] 宋筱轩,冯天恒,黄平捷,侯迪波,张光新. 基于动态数据驱动的突发水污染事故仿真方法[J]. 浙江大学学报(工学版), 2015, 49(1): 63-68.
[10] 胡剑虹,唐志峰,吕福在,潘晓弘,韩烨,姜晓勇. 复合管道轴对称导波改进半解析有限元建模[J]. 浙江大学学报(工学版), 2015, 49(1): 116-122.
[11] 展永政, 王光庆. 压电振动能量采集器的性能分析与功率优化[J]. 浙江大学学报(工学版), 2014, 48(7): 1248-1253.
[12] 刘杰, 王宇平. 一种基于单纯形法的改进中心引力优化算法[J]. 浙江大学学报(工学版), 2014, 48(7): 2-.
[13] 宋月超, 徐兵, 杨华勇, 张军辉. 改进的柱塞泵流量脉动“实用近似”测试法[J]. J4, 2014, 48(2): 200-205.
[14] 刘杰, 王宇平. 一种基于单纯形法的改进中心引力优化算法[J]. 浙江大学学报(工学版), 2014, 48(12): 2115-2122.
[15] 潘骁宇,谢旭,李晓章,孙文智,朱汉华. 锈蚀高强度钢丝的力学性能与评级方法[J]. 浙江大学学报(工学版), 2014, 48(11): 1917-1924.